基于三维测量数据和CAD模型的自由曲面数字化检测关键技术研究

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1、上海交通大学博士学位论文基于三维测量数据和CAD模型的自由曲面数字化检测关键技术研究姓名：陶军申请学位级别：博士专业：材料加工工程指导教师：张永清;邢渊20031101有相似的对于测量噪声的鲁棒性能由于上述精细配准是一个迭代的距离极小化过程它需要好的初值才能收敛到全局最优解为此本文提出了一种全新的三角网格面自动粗略配准方法用来大致对齐相对位姿偏差较大的三维测量数据以三角网格面表示与NURBS曲面的离散网格为减小计算量起见此处不使用NURBS曲面本身为配准两个局部重叠的网格面采用最小平方中值LMS估

2、算器来计算刚体变换它由假设的产生和假设的验证等两个部分组成为产生刚体变换的假设利用以网格顶点为中心的球面与网格面求交计算一种特殊结构称为控制点集控制点集由一个位于中心的网格顶点和若干围绕中心顶点有序排列的周围点组成每个点都是带有法矢的有向点控制点集反映了中心顶点周围的局部表面形状而且对于刚体坐标变换具有不变性基于中心顶点处曲率相似性以及关于距离与夹角的刚性约束提出了利用控制点集实现任意相对位姿的两个局部表面区域之间匹配的方法进而产生有可能匹配两个整体网格的刚体变换假设在刚体变换假设的验证阶段计算施

3、加每个变换后两个网格面之间的平方残余距离的中值最终从中选择对应于最小值的刚体变换作为粗略配准问题的解使用模拟数据进行了实例计算表明本方法对初始相对位姿和局外点都具有优异的鲁棒性能够从任意初始相对位姿出发实现局部重叠可容忍50%的局外点的复杂曲面的大致对齐本文初步实现了基于三维测量数据和CAD模型的自由曲面数字化检测的原型系统结合面向对象语言阐述了系统的构成与实现开发了有关数据输入组织和处理的大量程序如STL文件和IGES文件的后处理器NURBS曲面的自适应离散算法等采用以模拟数据设计的具有不同初始

4、相对位姿的案例以及车窗玻璃的实际测量数据的案例验证了本文配准方法的正确性和实用性与商业软件Imageware的比较表明本文配准方法具有更高的精度速度是可以接受的更为突出的是Imageware不能处理工程实际中常见的局部重叠曲面配准问题而本文配准方法能够从任意初始相对位姿出发获得局部重叠曲面的精确配准总之基于本文配准方法的自由曲面检测原型系统能够满足工程实践在精度鲁棒性和速度等方面的要求并且它不依赖于特定的测量硬件而适用于任何三维表面坐标测量数据关键词配准检测自由曲面三维测量数据CAD模型三角网格面

5、反向工程ABSTRACTModernengineeringoperatesintwoseparatethree-dimensionalworlds:oneisthephysicalworld,theotheristhevirtualworldincomputers.Theinformationflowfromthevirtualworldtothephysicalworldisrealizedthroughcomputeraidedmanufacturingtechnologies,whileth

6、einformationflowfromthephysicalworldtothevirtualworldrelysonvariouskindsof3Dcoordinatemeasuringdevices.After3Dcoordinatedataareacquiredfromthephysicalworld,sometimestheyareusedtoreconstructCADmodelincomputersthroughreverseengineering(RE)technologies,w

7、hilesometimestheyarecomparedtotheexistingCADmodel.Thelatterisactuallytheanalysisprocedureof3Dmeasureddata,whichhasveryimportantapplicationsinthedesign,manufacturing,andinspectionprocessesoffree-formproducts.Althoughsome3Dmeasuringdevices(suchascoordin

8、atemeasuringmachines)providetheirspecializedfunctionfordataanalysis,thosefunctionsdependonhardwaresthemselvestovariousdegree.Soithasgreatpracticalvalueandcommercialpotentialtodevelopthegeneralmeasureddataanalysissoftwarewhichisindependentofspe